CN103691959A - 一种复合结构硬质合金齿及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种整体复合结构硬质合金齿及其制备方法，该硬质合金齿包括镶嵌部位（1）和具有工作表面的受力部位（2），采用第一原料制备受力部位（2），采用第二原料制备镶嵌部位（1），同时镶嵌部位（1）与受力部位（2）接触的边界部位（3）采用第一原料制备；其中所述第一原料为高性能的原生料，第二原料为与工作部位相同牌号的再生料或者不相同牌号的原生料；该合金齿通过如下方法制备：将第一原料和第二原料分别装入硬质合金齿模具的上、下层中，经过脱蜡变压变温烧结得到硬质合金齿制品。本发明得到的产品，其受力部位具有符合要求的产品本身的高强度和耐磨性的性能，镶嵌部位又具有高韧性的用利于固齿的性能。
Description
技术领域
本发明属于硬质合金材料制造技术领域，尤其涉及一种复合结构的硬质合金齿及其制备方法。
背景技术
硬质合金具有很高的硬度、强度、耐磨性和耐腐蚀性，被誉为“工业牙齿”，用于制造切削工具、刀具、钻具和耐磨零部件，广泛应用于机械加工、冶金、石油钻井、矿山工具、电子通讯、建筑等领域。常规的硬质合金齿为WC相和粘结相的两相组织，其产品内外结构及机械性能是一致的，导致其高硬度、高耐磨性和高韧性不能兼得。
后期提出了梯度功能材料的概念，即通过采用低碳含量的合金先预烧结出相成分为WC+y+η相三相组织的基体材料，然后，采用固相渗碳的方法得到钴相呈梯度分布的硬质合金。这种方法制得的材料表面低钴、中间层高钴、芯部为含η相的结构，芯部η相的存在对材料的性能不可避免产生影响，且整个工艺流程控制起来相对复杂,生产成本较高。
目前国内的硬质合金齿主要包括镶嵌部位和受力部位两部分，镶嵌部位需要有高韧性的有利于固齿的性能，受力部位需要有高硬度与高耐磨性的特点，这样在切削或者钻探过程中，可以提高硬质合金齿的工作效率并提高其使用寿命。但是由于目前生产的硬质合金齿的镶嵌部位和受力部位都为同一种原料、同一种烧结工艺制成，造成硬质合金齿镶嵌部位和受力部位的高硬度、高耐磨性和高韧性不能兼得。
发明内容
本发明的目的是提供一种整体复合结构硬质合金齿及其制备方法，可兼顾硬质合金齿镶嵌部位的高韧性和受力部位的高硬度和高耐磨性，工艺方法简单、生产成本低、过程控制简单。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种整体复合结构硬质合金齿，它包括镶嵌部位1和具有工作表面的受力部位2，采用第一原料制备受力部位2，采用第二原料制备镶嵌部位1，同时镶嵌部位1与受力部位2接触的边界部位3采用第一原料制备；
其中所述第一原料为高性能的原生料，第二原料为与工作部位相同牌号的再生料或者不相同牌号的原生料；
该合金齿通过如下方法制备：将第一原料和第二原料分别装入硬质合金齿模具的上、下层中，经过脱蜡变压变温烧结得到硬质合金齿制品。
第二原料的高度h2＜镶嵌部位的高度h。
所述不相同牌号的原生料：当第一原料为YG6原生料时，第二原料可以是YG8、YG10原生料；第一原料为YG8原生料时，第二原料可以是YG6、YG10原生料。
一种硬质合金齿的制备方法，包括如下步骤：
步骤a：将第一原料和第二原料分别进行湿磨；
步骤b：采用第一原料制备受力部位2，采用第二原料制备镶嵌部位1，同时镶嵌部位1与受力部位2接触的边界部位3采用第一原料制备；采用全自动干粉压机，通过多方位和多次送料的方式，制备出复合的整体硬质合金压坯；
步骤c：将所得整体硬质合金压坯进行脱蜡变压变温一体烧结处理得到制品；
步骤d：降温出炉；
其中所述第一原料为高性能的原生料，第二原料为与工作部位相同牌号的再生料或者不相同牌号的原生料。
在步骤b中，第一原料和第二原料分别装入硬质合金齿模具的上、下层中，压制出复合的整体硬质合金压坯。
在步骤b中，硬质合金齿模具中第二原料的硬质合金齿混合料的高度h2略大于硬质合金受力部位的高度h。
在步骤a中，湿磨工艺参数为：搅拌球磨时间为5-7h，球磨机转速为80-100r/min。
在步骤c中，烧结工艺为压制件从室温升至400℃保温80min，然后升温至1250℃在1300Pa真空度下保温20min，继续升温至1400℃保温20min后通入氩气使得炉内压力达到2MPa，保温1h。
本发明的一种高性能复合硬质合金齿及其制备方法，改善了传统的硬质合金齿整体使用同样材质而造成的成本增加问题，可以降低生产成本30%，更适宜于大规模工业化生产应用，所生产的整体复合结构硬质合金齿具有高的硬度、耐磨性和韧性，具有较好的应用前景。
本发明的有益效果在于：
和现有的技术相比，本发明具有以下优点：
a）在不增加合金元素和新增工艺的前提下，通过机械复合+热处理的方法，改善了合金的组织结构分布，提高了综合性能；
b）解决了硬质合金齿强度、耐磨性和韧性不匹配的矛盾，成品同时具有高耐磨性和韧性。
c）原料成本降低了30%左右，低碳环保，实现了可循环利用，产品同时具有高的综合使用性能。
附图说明
图1为本发明生产高性能复合结构硬质合金齿的制备工艺流程图；
图2为高性能复合结构硬质合金齿的结构示意图。
符号列表
1镶嵌部位
2受力部位
3边界部位
H硬质合金齿的高度
D硬质合金齿的宽度
h镶嵌部位高度
h2再生混合料的高度
e倒角高度
R合金齿圆弧半径
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
例1（对比例1）：镶嵌部位和受力部位均采用相同牌号原生料制备
YG8硬质合金原料主成分配比为8%的钴粉和92%的WC粉。将硬质合金YG8原生混合料经过湿磨后，采用全自动干粉压机压制成型，进行低压脱蜡烧结处理，磨削与钝化精加工后形成产品。其中，湿磨搅拌球磨时间为6h，球磨机转速为90r/min；烧结工艺为压制件从室温升至400℃保温80min，然后升温至1250℃在1300Pa真空度下保温20min，继续升温至1400℃保温20min后通入氩气使得炉内压力达到2MPa，保温1h，然后降温出炉。对所得合金进行相关力学性能的测试，结果如表1所示。
例2（实施例1）：镶嵌部位采用再生料、受力部位采用原生料制备
YG8硬质合金主成分配比为8%的钴粉和92%的WC粉。将硬质合金YG8原生混合料和硬质合金YG8再生混合料经过湿磨后，采用全自动干粉压机通过多方位和多次送料的方法制备出上层为YG8原生混合料、下层为YG8再生混合料的压坯。其中，压坯中再生混合料的高度为h2<镶嵌部位高度h，其余部分均采用硬质合金齿原生混合料。进行低压脱蜡烧结处理制备硬质合金齿，磨削与钝化精加工后形成产品。其中，湿磨搅拌球磨时间为6h，球磨机转速为90r/min；烧结工艺为压制件从室温升至400℃保温80min，然后升温至1250℃在1300Pa真空度下保温20min，继续升温至1400℃保温20min后通入氩气使得炉内压力达到2MPa，保温1h，然后降温出炉。对所得合金进行相关力学性能的测试，结果如表1所示。
例3（实施例2）：镶嵌部位和受力部位采用不同牌号原生料制备
YG8硬质合金主成分配比为8%的钴粉和92%的WC粉。将硬质合金YG8原生混合料和硬质合金YG6原生混合料经过湿磨后，采用全自动干粉压机通过多方位和多次送料的方法制备出上层为YG8原生混合料、下层为YG6原生混合料的压坯。其中，压坯中YG6原生混合料的高度为h2<镶嵌部位高度h，其余部分均采用硬质合金齿YG8原生混合料。进行低压脱蜡烧结处理制备硬质合金齿，磨削与钝化精加工后形成产品。其中，湿磨搅拌球磨时间为6h，球磨机转速为90r/min；烧结工艺为压制件从室温升至400℃保温80min，然后升温至1250℃在1300Pa真空度下保温20min，继续升温至1400℃保温20min后通入氩气使得炉内压力达到2MPa，保温1h，然后降温出炉。对所得合金进行相关力学性能的测试，结果如表1所示。
例4（对比例2）：镶嵌部位和受力部位均采用相同牌号再生料制备
YG8硬质合金原料主成分配比为8%的钴粉和92%的WC粉。将硬质合金YG8再生混合料经过湿磨后，采用全自动干粉压机压制成型，进行低压脱蜡烧结处理，磨削与钝化精加工后形成产品。其中，湿磨搅拌球磨时间为6h，球磨机转速为90r/min；烧结工艺为压制件从室温升至400℃保温80min，然后升温至1250℃在1300Pa真空度下保温20min，继续升温至1400℃保温20min后通入氩气使得炉内压力达到2MPa，保温1h，然后降温出炉。对所得合金进行相关力学性能的测试，结果如表1所示。
表1硬质合金齿的力学性能
| 密度，g/cm3 | 硬度，HRA | 抗弯强度，N/mm2 | 断裂韧性，MPa.m1/2 | 耐磨性，l/cm3 | |
| 例1 | 14.95 | 90.5 | 3200 | 12.2 | 16.0 |
| 例2 | 14.90 | 90.5 | 3150 | 13.4 | 16.0 |
| 例3 | 14.89 | 90.4 | 3130 | 13.8 | 15.9 |
| 例4 | 14.70 | 86.0 | 2600 | 10.3 | 11.3 |
对比分析表1可知，例1、例2和例3的硬质合金齿具有较高的硬度、抗弯强度、断裂韧性和耐磨性，而例4中的硬质合金齿的硬度、抗弯强度、断裂韧性和耐磨性都较差。例4中的硬质合金无法适应现代石油钻井、矿山工具等的发展需求。
而对比分析例1和例2、例3可知，虽然例2中采用了部分再生混合料，例3中采用了不同牌号的原生料，但是采用本发明的混粉和压制烧结方法所得到的硬质合金齿的硬度与未添加再生料采用相同牌号原生料的例1中的硬质合金齿的性能相当，且断裂韧性要高于例1。例2、例3的硬质合金齿兼有高硬度、高耐磨性和高韧性的优点，且降低了生产成本，更适宜于大规模开发应用。
进一步地研究分析，本发明的实施例（例2）中的硬质合金齿是一种具有复合结构的合金齿，上层为传统的硬质合金结构，下层为再生混合料组成，而上层结构具有了硬质合金齿所需要的硬度和高耐磨性，下层组织具备了硬质合金齿所需要的韧性。通过适当的低压烧结方法，可以得到理想的梯度结构组织，使得合金齿具备高强、高耐磨性和高韧性的优点，可以作为高性能硬质合金齿，且有效地降低了生产成本，延长了合金齿的使用寿命，可广泛应用于矿山凿岩和地质钻探工具等领域。
Claims (8)
1.一种整体复合结构硬质合金齿，它包括镶嵌部位（1）和具有工作表面的受力部位（2），其特征在于，采用第一原料制备受力部位（2），采用第二原料制备镶嵌部位（1），同时镶嵌部位（1）与受力部位（2）接触的边界部位（3）采用第一原料制备；
其中所述第一原料为高性能的原生料，第二原料为与工作部位相同牌号的再生料或者不相同牌号的原生料；
该合金齿通过如下方法制备：将第一原料和第二原料分别装入硬质合金齿模具的上、下层中，经过脱蜡变压变温烧结得到硬质合金齿制品。
2.如权利要求1所述的硬质合金齿，其特征在于，第二原料的高度h2＜镶嵌部位的高度h。
3.如权利要求1所述的硬质合金齿，其特征在于，所述不相同牌号的原生料为：当第一原料为YG6原生料时，第二原料可以是YG8、YG10原生料；第一原料为YG8原生料时，第二原料可以是YG6、YG10原生料。
4.一种如权利要求1所述的硬质合金齿的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a：将第一原料和第二原料分别进行湿磨；
步骤b：采用第一原料制备受力部位（2），采用第二原料制备镶嵌部位（1），同时镶嵌部位（1）与受力部位（2）接触的边界部位（3）采用第一原料制备；采用全自动干粉压机，通过多方位和多次送料的方式，制备出复合的整体硬质合金压坯；
步骤c：将所得整体硬质合金压坯进行脱蜡变压变温一体烧结处理得到制品；
步骤d：降温出炉；
其中所述第一原料为高性能的原生料，第二原料为与工作部位相同牌号的再生料或者不相同牌号的原生料。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤b中，第一原料和第二原料分别装入硬质合金齿模具的上、下层中，压制出复合的整体硬质合金压坯。
6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤b中，硬质合金齿模具中第二原料的硬质合金齿混合料的高度h2略大于硬质合金受力部位的高度h。
7.如权利要求4所述的硬质合金齿的制备方法，其特征在于，在步骤a中，湿磨工艺参数为：搅拌球磨时间为5-7h，球磨机转速为80-100r/min。
8.如权利要求4所述的硬质合金齿的制备方法，其特征在于，在步骤c中，烧结工艺为压制件从室温升至400℃保温80min，然后升温至1250℃在1300Pa真空度下保温20min，继续升温至1400℃保温20min后通入氩气使得炉内压力达到2MPa，保温1h。
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